成果來自于北京市自然科學基金重點研究專題。當前智能監控已經開始普及,可以有效的對各類目標進行檢測識別,但缺乏目標的物理信息,特別是利用單個傳統攝像頭完成目標的相對距離、速度和位置的方案比較稀缺,業界大部分方案采用傳統攝像頭輔以雷達、GPS等裝置實現相應功能,或者采用深度攝像頭完成測距功能,增加了硬件成本和開發難度。成果提出一種基于單目視覺物理參數測量方法,僅需對單個單目攝像頭(即傳統攝像頭)進行軟件升級即可實現相對距離、速度和GPS位置的測量。經過大量實驗驗證,以道路監控為例,人和汽車相對距離測量相對誤差2.4%(絕對誤差0.16米),汽車車速測定相對誤差3% (絕對誤差0.39km/h),人員車輛的GPS定位絕對誤差1-2米。該成果具有很廣的應用前景,適用于各類監控領域,諸如交通監控、周界入侵、臨邊作業、跌倒檢測、災害防范、違規防暴等場景,實現對事故或情況的高智能監控,提供目標距離、速度、位置信息,無需更換現有監控系統,僅需軟件升級就可實現物理參數測量功能,即插即用,成本低廉。成果在北京市自然科學基金重點研究項目結題驗收時被北京市自然科學基金委評定為優秀,入圍2023年中關村論壇中關村國際技術交易大會百項新技術新產品榜單項目(全球3200多個項目參選,僅有150項入圍),并獲得AICON2020和ICMIP2020會議最佳論文獎2項。
圖1.本項目研發的單目攝像頭
圖2.視覺測距測速定位效果(道路)
成果可用于交通監控,目前絕大多數道路監控設備均采用傳統的單目攝像頭,針對禁限類、違反標志標線類、闖紅燈、違法停車、駕車不系安全帶、駕車接打電話等各類交通違章進行監控和取證。以北京市為例,目前北京市公安局公安交通管理局在北京市大約4萬個路段布設了63239個交通監控攝像頭。但這些攝像頭不具有物理測量功能,僅有269個路段加裝了583個測速雷達,完成對超速違章的輔以監控和取證。如果需要對所有路段都增加雷達完成測速,成本高昂,基于本成果則僅需對現有監控系統進行軟件升級,即可實現測速,而且還能實現相對距離、定位等高級智能功能。
項目成果可應用于校園監控,大學校園的安全保障至關重要,需對整個校園進行實時的智能視頻監控,有效的預防各類案件的發生,并對各個監控點進行全程的錄像,從而為日后的事件取證提供有力的依據,通過智能分析技術對校園各種突發事件要做到事前預警、事中報警、事后分析。需具有周界圍墻入侵報警功能,對校園進行多層次的入侵防范,并對各類報警事件進行記錄,從而為平安校園的建設提供一種有效的手段。還需具有重點區域防盜報警功能,對校園重點區域設置實時報警點,24小時監控該區域物品安全,實現立體式多層次的監控效果。但目前校園的監控系統只能提供簡單的監控,不具備目標檢測和周界入侵報警功能,更無法提供目標距離、速度和位置信息,此外校園主要路段并非人車分流,為了行人安全,需在主要路段設有監控攝像頭和測速雷達,進行超速測量和抓拍。但這種基于測速雷達的方案增加了硬件和安裝成本。以北京理工大學中關村校區為例,校園有1000個普通的監控攝像頭,無法提供目標檢測和物理測量。僅有關鍵路段設有9個監控攝像頭,輔以雷達完成車輛測速和超速抓拍。若需要讓1000個監控攝像頭都具有測量物理信息的高級智能監控功能,通常需加裝雷達、GPS、深度相機等裝置。而采取本成果,僅需一套軟件,無需更換現有監控系統,即可完成升級,使其具有高級智能監控功能,在目標檢測的同時,實現物理參數測量,可實現異常現象檢測和定位(跌倒、打架、偷竊、周界入侵、火災等),車輛超速抓拍和定位、人車距離報警。
成果可以用于列車運行狀態路側感知,我國的軌道交通一直在蓬勃發展,2022年,全國鐵路完成固定資產投資7109億元,投產新線4100公里,其中高鐵2082公里,圓滿完成了年度鐵路建設任務。截至2022年底,全國鐵路營業里程達到15.5萬公里,其中高鐵4.2萬公里。但也對安全性提出了更高的要求。2022年貴廣線榕江站事故造成1名司機死亡、1名列車員與7名旅客受傷。2021蘭新鐵路發生列車與鐵路施工人員相撞事故,導致9人遇難。這些事故讓國家和人民的生命財產蒙受重大損失,造成了極其惡劣的社會影響。本成果可對列車、軌道、人員等目標進行高精度檢測,并提供目標的相對距離、速度和位置信息,無需加裝雷達、GPS和深度相機,可部署在鐵路沿線,用于風險防范化解,應對火災、泥石流、山體滑坡等險情,識別安全隱患、人員侵線等情況后及時定位報警。可提高管理水平,減少事故發生概率,節約人力成本。
此外,還可用于可應用于火車站站臺、輪渡碼頭等場景,代替人工完成軌道、河道安全距離的警示工作;可用于鐵路道口,識別即將通過的列車,及時通知工作人員或自動控制壓道鈴和攔門;可實現行車記錄儀和倒車雷達的二合一;可用于施工區域,確保工人在安全距離內施工,遠離危險設備、高壓電、深坑等;可檢測老人跌倒不能自行站立、病人突然發病倒地等情況時,通過監控系統自動發送定位信息;也可應用于城市安防如防治打架斗毆、反恐防爆等領域。具有極大的潛在經濟價值和社會效益。
在交通監控領域,一部常規測速雷達價格大約5000元(不含施工費),如果在所有4萬個路段都加裝雷達實現測速功能,則需要2億元的成本。而本而采取本成果,無需更換現有單目攝像頭監控系統,即可完成測速功能,而且使其具有高級智能監控功能,在目標檢測的同時完成,對任何交通違章目標、現象乃至事故的距離、速度、位置等參數的測量,所需要增加的僅僅是一套軟件,軟件成本可以一次項定價為2000萬元,是雷達成本的1/10。以地級市為例,全國總共約300個地級市,總計60億元的市場,也可以按照各個監控機位收取定期服務費模式。
在校園監控領域,若采取雷達方案,以一部雷達5000元的價格(不含施工費)來計算的話,需要500萬元才能完成全校園的升級。而本成果視功能可定價為50萬元,價格是雷達的/10,而全國有3000多所高校,若采用本系統,總計15億元。考慮到各大公司、居民社區和中小學校等封閉園區,經濟效益更為可觀,預估有30億元的市場。
為了防范列車事故,多利用傳感器技術和電子信息技術,對非法侵入鐵路周界的行為進行監測(阻攔),并產生報警信息的系統。而當前主流的入侵探測技術有脈沖電子圍欄、光波對射(紅外對射&激光對射)、振動光纖等技術,鋪設成本高昂,其中脈沖電子圍欄成本最低,100-200元/米,一個防區100米,成本1-2萬,無法精確定位。振動光纖成本最高,200-400元/米,一個防區40km,精度±2米。本成果基于視覺,效果直觀,而且具有視覺定位功能,精度0.48米,一個3000元的單目攝像頭就可觀測200米視野,可有效對相關事故進行預警和防范。另外,針對山坡泥石流的防范和監控,最有效的方案是邊坡雷達,但成本動輒上百萬,而位移監測、光纜監測、異物侵限監測的鋪設成本也相當高昂,且因為不直觀無法判斷事故原因,容易誤報。本成果的視野區域廣,高效直觀,價格便宜,可以針對各類事故進行周界入侵報警,預估有幾百億元的市場。
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